新型水凝胶在几天内发现新的适体或化学抗体
DNA 的一条双螺旋链可以延伸六英尺，但它盘绕得非常紧密，以至于将整个核苷酸序列包装到细胞的微小细胞核中。如果相同的DNA被分成两条链并分成许多很多短片段，它将变成数万亿个独特折叠的3D分子结构，能够结合并可能操纵特定形状的分子——如果它们是完美的配合的话。
这些短的单链 DNA 或 RNA 片段称为适体，也称为“化学抗体”。宾夕法尼亚州立大学的研究人员表示，它们正在生物医学领域作为有益的治疗或诊断剂，特别是在替代生物抗体方面。然而，要为目标分子(例如抑制癌性肿瘤的 p53 蛋白)找到完美的适体，需要筛选超过银河系恒星数量的潜在适体候选者。这个过程可能需要几个月的时间，并且通常会导致根本不匹配。
宾夕法尼亚州立大学研究人员开发的一种新方法使用水凝胶(一种聚合物网络，可以保持其形状，并且在吸收大量水时可以扩展)来保留“高亲和力”或良好贴合的适体，而其余部分则保持不变。候选适体在 60 小时内离开凝胶。该团队昨天(10 月 5 日)在《自然生物技术》杂志上报告了他们的“用于适体选择的水凝胶”(HAS)方法和研究结果。
HAS 方法可以降低研究人员在许多生物医学应用中探索适配体潜力的障碍，适配体比抗体更容易修饰，具有更长的保质期，并且更容易进入组织，例如再生医学、药物据通讯作者、宾夕法尼亚州立大学生物医学工程教授介绍，该研究涉及递送、细胞工程、生物成像等领域。
“寻找适体的过程不仅让初学者感到沮丧，也让经验丰富的研究人员感到沮丧——就像大海捞针一样，”王说。“许多研究人员有兴趣在他们的项目中使用适配体，但由于很难获得它们，他们无法测试他们的想法或探索新的应用。适体本身可以用作治疗剂，它们可以与药物或纳米颗粒结合以指导递送和提高功效，它们可以用于检测血液样本是否含有病或癌症生物标志物的检测试剂盒的功能化。基本上，适配体可以应用于抗体设计的任何地方。”
该团队的水凝胶由聚乙二醇(PEG)制成，包含固定的凝血酶目标分子，有助于促进血液中的凝血。一旦将适体库注入水凝胶中，高亲和力的候选物就会与不动的目标结合，而不太适合的适体则通过其孔隙自由扩散，类似于没有钩子的装饰品从圣诞树上掉落而没有任何东西可以抓住的情况到树枝上。
这种扩散方法不同于传统方法，传统方法中目标分子和适体库在溶液中混合，然后通过薄膜过滤。Wang 表示，过滤步骤会重复多次，而好的候选适体常常会丢失。
“不幸的是，分子结合是一种物理相互作用，在过滤步骤中，特定的候选分子可能会与目标分子分离，穿过膜并丢失，”王说。“在我们的方法中，如果所需的适体候选物与先前结合的目标分子分离，它将重新结合到固定的分子上。因此，候选人在扩散过程中不会轻易流失。”
研究人员通过冷冻与丙烯酸混合的预胶凝溶液创建了多孔水凝胶，丙烯酸随后与聚合物中的羧基发生化学反应，形成嵌入的凝血酶蛋白，并固定起来，不会离开水凝胶。在这个“冷冻凝胶”过程中也会出现冰晶，分散在整个 PEG 聚合物网络中，最终在达到室温时融化并形成水凝胶的孔隙。Wang 说，PEG 是“无污染的”，这意味着该材料限制了适体与水凝胶的不必要的结合，这与适体与膜的相互作用不同。
HAS 方法还消除了聚合酶链式反应 (PCR) 扩增的需要，这是传统方法中的一个步骤，每轮都会根据前一个膜中剩余的适体合成生成新的适体库。
Wang 说：“扩增是基于 PCR 的，它会偏向扩增某些候选者，而不是平等对待所有候选者。” “研究人员发现，这种偏见每次重复都会变得越来越严重，他们在投入大量时间、人力和金钱后可能找不到他们想要的东西。”
作为基线测试，研究人员开发了一种不嵌入凝血酶的 PEG 水凝胶，并引入了适体库，发现 60 小时后凝胶中几乎没有任何剩余的适体。这表明非特异性结合(适配体与水凝胶)产生的“背景噪音”已经消散，并且成为研究人员在测试过程中使用的时间截止点。
收集凝血酶固定水凝胶中的候选适体并使用新一代测序技术进行分析。研究人员对 50 个候选适体进行了优先排序，进一步对它们进行分类并测试了结合效率。发现从池中鉴定出的“抗凝血酶适体”的结合亲和力与使用传统方法进行 10 多个适体选择循环所鉴定的结合亲和力相当。
Wang 说：“适配体选择可以一步完成，无需重复过程，并且避免了重复操作的所有问题。”他补充说，HAS 方法的进一步工作将微调这一方法，包括选择适配体非蛋白质靶分子甚至活细胞(如果它们可以在环境条件下保存在水凝胶中)。“我们希望 HAS 能够帮助研究人员探索需要分子结合或识别的各个领域。”
这项研究的合作者还包括共同第一作者 Naveen Singh，他曾是宾夕法尼亚州立大学生物医学工程系的博士后研究员，现就职于印度理工学院德里分校;以及共同第一作者 Yixun Wang、Connie Wen、Brandon Davis、Xuelin Wang 和 Kyungsene Lee，他们都是宾夕法尼亚州立大学生物医学工程博士生。
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